弹丸运动姿态数学模型的验证与研究
发布时间：2022-07-12 14:46
随着计算机技术、信息技术、测控技术、材料加工技术的突飞猛进,加之数学力学、控制理论的发展,使得火炮系统的研制和装备大为改观。同时,由于传统的外弹道测量手段本身所存在的危险性以及测试过程不可逆等问题,使得其早已无法满足一些新型武器系统的外弹道测试需求,因此利用仿真软件求解弹丸的飞行姿态已成为一种安全准确的外弹道研究方法。在对国内外对于弹丸外弹道运动姿态的发展现状以及趋势进行分析和总结后,确定了利用系统仿真技术对弹丸在一定时间内的运动姿态进行建模分析的方案以及对该模型的求解算法。接着从无控旋转弹丸的陀螺效应入手,依据弹丸的飞行稳定性理论得出其稳定飞行所需要满足的条件,并由此推导出飞行中弹丸攻角变化的一般规律。这为后续数学模型仿真的结果提供了理论支持。针对刚体弹丸的运动特性并建立合适的坐标系组,这对弹丸飞行姿态数学模型的建立以及求解有着很大的帮助。而后,对飞行中的无控旋转弹丸进行受力分析,并将弹丸所受力与力矩在相应坐标系下分解;同时通过仿真或数据拟合等方法得出诸气动力系数的数学表达式。以弹箭飞行动力学理论为依托,在将弹丸飞行运动的物理过程分解为质心的运动和绕质心转动的两种形式后建立弹丸飞行姿...
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
1.绪论
1.1 引言
1.2 课题的目的和意义
1.3 国内外研究现状
1.3.1 外弹道学发展现状
1.3.2 系统仿真技术发展现状
1.4 论文总体研究方案
1.5 课题主要研究内容
2.弹丸飞行稳定理论
2.1 引言
2.2 弹丸飞行稳定性理论
2.3 标准气象条件与空气密度
2.3.1 标准气象条件
2.3.2 空气密度
2.4 本章小结
3.弹丸外弹道运动姿态模型
3.1 引言
3.2 坐标系的建立及其转换
3.2.1 坐标系的建立
3.2.2 各坐标系之间的转换关系
3.2.3 各方位角之间的关系
3.3 弹丸所受到的力与力矩
3.3.1 升力
3.3.2 阻力
3.3.3 重力与科氏惯性力
3.3.4 马格努斯力与力矩
3.3.5 静力矩
3.3.6 极阻尼力矩
3.3.7 赤道阻尼力矩
3.4 弹丸运动姿态数学模型的建立
3.4.1 弹道坐标系下的弹丸质心方程
3.4.2 弹轴坐标系下的弹丸绕质心转动的动量矩方程
3.4.3 在标准炮兵气象条件下的气动力和力矩分量的表达式
3.4.4 弹丸运动姿态数学模型
3.5 阻力系数的解算
3.5.1 基于FLUENT的弹丸阻力系数仿真
3.5.2 Fluent软件仿真流程
3.5.3 仿真结果
3.5.4 弹形系数的确定
3.6 仿真模型的解算
3.6.1 Runge-Kutta法
3.6.2 MATLAB程序的设计以及编写
3.7 仿真结果及分析
3.7.1 弹丸速度倾角
3.7.2 弹丸转速曲线
3.7.3 弹丸攻角曲线
3.8 本章小结
4.测试系统实现与实测数据解算验证
4.1 引言
4.2 测试系统简述
4.2.1 设计原则
4.2.2 薄膜线圈式地磁传感器
4.3 实测信号分析
4.3.1 弹丸转速的计算
4.3.2 弹丸的章动角的解算方案
4.3.3 章动周期解算方案
4.3.4 实测弹丸章动参数的计算
4.4 本章小结
5.总结
5.1 全文总结与结论
5.2 主要创新点与不足之处
5.2.1 创新点
5.2.2 不足之处
5.2.3 下一步工作
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]小口径火炮有效射程仿真分析[J]. 杨立强,代仁文,纪福轩. 自动化与仪器仪表. 2019(07)
[2]弹丸头部形状对弹道偏流现象的影响[J]. 刘铁磊,梁化鹏,沈培辉. 中北大学学报(自然科学版). 2019(05)
[3]基于虚拟现实的火炮外弹道仿真方法[J]. 王屹,薛宏伟. 计算机系统应用. 2019(06)
[4]高原条件下无控旋转弹丸弹道建模与仿真研究[J]. 刘玉文,蒋明,李泳,张志远. 兵器装备工程学报. 2019(05)
[5]电磁发射深弹外弹道建模与仿真[J]. 陆泽平,吴茂林. 指挥控制与仿真. 2019(01)
[6]Control of exterior ballistic properties of spin-stabilized bullet by optimizing internal mass distribution[J]. Janne Lahti,Timo Sailaranta,Mikko Harju,Kai Virtanen. Defence Technology. 2019(01)
[7]舰炮武器系统射击精度仿真模型可信度分析[J]. 程晗,陈维义,刘国强,徐义桂. 火炮发射与控制学报. 2019(02)
[8]基于Matlab对弹丸外弹道运动轨迹仿真分析[J]. 董理赢,焦志刚,王志军,王少宏. 兵器装备工程学报. 2017(12)
[9]卡尔曼弹道滤波器抗野值方法研究[J]. 范旭,陈国光,王光志,赵军强,杨智杰. 兵器装备工程学报. 2017(12)
[10]基于内外弹道联合仿真的固体火箭发动机优化设计[J]. 范健,杨春,佟明曦,梁欣欣,裴金亮. 弹箭与制导学报. 2018(02)
博士论文
[1]旋转稳定弹二维弹道修正技术[D]. 刘旭东.北京理工大学 2016
[2]弹道环境下的陀螺/GPS组合姿态测量方法研究[D]. 牛春峰.南京理工大学 2012
硕士论文
[1]枪弹气动特性计算及外弹道仿真[D]. 熊镐.中北大学 2019
[2]某航空火箭弹气动及外弹道特性研究[D]. 林书豪.南京理工大学 2018
[3]基于薄膜线圈的无控旋转弹丸章动测试技术研究[D]. 孙猛.中北大学 2017
[4]高超音速炮弹气动分析及弹道仿真研究[D]. 黄玉才.南京理工大学 2017
[5]基于弹丸转速的多参数数据提取方法研究[D]. 陆真.中北大学 2016
[6]狙击步枪弹道轨迹计算与狙击模拟训练研究[D]. 李振江.吉林大学 2016
[7]地炮闭环校射弹射击方法研究[D]. 张聪.南京理工大学 2016
[8]火箭外弹道快速计算与修正方法研究[D]. 王男.南京理工大学 2016
[9]旋转弹转速、炮口速度及章动参数测试技术研究[D]. 岳晗.中北大学 2014
[10]弹丸飞行姿态运动学分析与模拟试验研究[D]. 张斐.中北大学 2013
本文编号：3659321
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
1.绪论
1.1 引言
1.2 课题的目的和意义
1.3 国内外研究现状
1.3.1 外弹道学发展现状
1.3.2 系统仿真技术发展现状
1.4 论文总体研究方案
1.5 课题主要研究内容
2.弹丸飞行稳定理论
2.1 引言
2.2 弹丸飞行稳定性理论
2.3 标准气象条件与空气密度
2.3.1 标准气象条件
2.3.2 空气密度
2.4 本章小结
3.弹丸外弹道运动姿态模型
3.1 引言
3.2 坐标系的建立及其转换
3.2.1 坐标系的建立
3.2.2 各坐标系之间的转换关系
3.2.3 各方位角之间的关系
3.3 弹丸所受到的力与力矩
3.3.1 升力
3.3.2 阻力
3.3.3 重力与科氏惯性力
3.3.4 马格努斯力与力矩
3.3.5 静力矩
3.3.6 极阻尼力矩
3.3.7 赤道阻尼力矩
3.4 弹丸运动姿态数学模型的建立
3.4.1 弹道坐标系下的弹丸质心方程
3.4.2 弹轴坐标系下的弹丸绕质心转动的动量矩方程
3.4.3 在标准炮兵气象条件下的气动力和力矩分量的表达式
3.4.4 弹丸运动姿态数学模型
3.5 阻力系数的解算
3.5.1 基于FLUENT的弹丸阻力系数仿真
3.5.2 Fluent软件仿真流程
3.5.3 仿真结果
3.5.4 弹形系数的确定
3.6 仿真模型的解算
3.6.1 Runge-Kutta法
3.6.2 MATLAB程序的设计以及编写
3.7 仿真结果及分析
3.7.1 弹丸速度倾角
3.7.2 弹丸转速曲线
3.7.3 弹丸攻角曲线
3.8 本章小结
4.测试系统实现与实测数据解算验证
4.1 引言
4.2 测试系统简述
4.2.1 设计原则
4.2.2 薄膜线圈式地磁传感器
4.3 实测信号分析
4.3.1 弹丸转速的计算
4.3.2 弹丸的章动角的解算方案
4.3.3 章动周期解算方案
4.3.4 实测弹丸章动参数的计算
4.4 本章小结
5.总结
5.1 全文总结与结论
5.2 主要创新点与不足之处
5.2.1 创新点
5.2.2 不足之处
5.2.3 下一步工作
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]小口径火炮有效射程仿真分析[J]. 杨立强,代仁文,纪福轩. 自动化与仪器仪表. 2019(07)
[2]弹丸头部形状对弹道偏流现象的影响[J]. 刘铁磊,梁化鹏,沈培辉. 中北大学学报(自然科学版). 2019(05)
[3]基于虚拟现实的火炮外弹道仿真方法[J]. 王屹,薛宏伟. 计算机系统应用. 2019(06)
[4]高原条件下无控旋转弹丸弹道建模与仿真研究[J]. 刘玉文,蒋明,李泳,张志远. 兵器装备工程学报. 2019(05)
[5]电磁发射深弹外弹道建模与仿真[J]. 陆泽平,吴茂林. 指挥控制与仿真. 2019(01)
[6]Control of exterior ballistic properties of spin-stabilized bullet by optimizing internal mass distribution[J]. Janne Lahti,Timo Sailaranta,Mikko Harju,Kai Virtanen. Defence Technology. 2019(01)
[7]舰炮武器系统射击精度仿真模型可信度分析[J]. 程晗,陈维义,刘国强,徐义桂. 火炮发射与控制学报. 2019(02)
[8]基于Matlab对弹丸外弹道运动轨迹仿真分析[J]. 董理赢,焦志刚,王志军,王少宏. 兵器装备工程学报. 2017(12)
[9]卡尔曼弹道滤波器抗野值方法研究[J]. 范旭,陈国光,王光志,赵军强,杨智杰. 兵器装备工程学报. 2017(12)
[10]基于内外弹道联合仿真的固体火箭发动机优化设计[J]. 范健,杨春,佟明曦,梁欣欣,裴金亮. 弹箭与制导学报. 2018(02)
博士论文
[1]旋转稳定弹二维弹道修正技术[D]. 刘旭东.北京理工大学 2016
[2]弹道环境下的陀螺/GPS组合姿态测量方法研究[D]. 牛春峰.南京理工大学 2012
硕士论文
[1]枪弹气动特性计算及外弹道仿真[D]. 熊镐.中北大学 2019
[2]某航空火箭弹气动及外弹道特性研究[D]. 林书豪.南京理工大学 2018
[3]基于薄膜线圈的无控旋转弹丸章动测试技术研究[D]. 孙猛.中北大学 2017
[4]高超音速炮弹气动分析及弹道仿真研究[D]. 黄玉才.南京理工大学 2017
[5]基于弹丸转速的多参数数据提取方法研究[D]. 陆真.中北大学 2016
[6]狙击步枪弹道轨迹计算与狙击模拟训练研究[D]. 李振江.吉林大学 2016
[7]地炮闭环校射弹射击方法研究[D]. 张聪.南京理工大学 2016
[8]火箭外弹道快速计算与修正方法研究[D]. 王男.南京理工大学 2016
[9]旋转弹转速、炮口速度及章动参数测试技术研究[D]. 岳晗.中北大学 2014
[10]弹丸飞行姿态运动学分析与模拟试验研究[D]. 张斐.中北大学 2013
本文编号：3659321
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